Ein Beitrag zur Stabilitätstheorie der Wirbelstraßen unter Berücksichtigung endlicher und zeitlich wachsender Wirbelkerndurchmesser

Zusammenfassung Nach dem Bericht über die bekannten Arbeiten über die Stabilitäts-theorie der Wirbelstraßen wird die Vermutung ausgesprochen und begründet, daß der in den bisherigen Theorien nicht berücksichtigte endliche Wirbelkerndurchmesser und seine zeitliche Veränderung einen neuen Einblick in das Stabilitätsproblem der Wirbelstraßen verspricht.Es werden für die einreihige Wirbelstraße Bewegungsgleichungen aufgestellt, linearisiert und durch eine unendliche Reihe gelöst. Die Stabilitätsdiskussion zeigt die Instabilität der einreihigen Wirbelstraße in Übereinstimmung mit der experimentellen Erfahrung.Im Anschluß hieran werden die Bewegungsgleichungen für die beiden Typen der zweireihigen Wirbelstraße angegeben, linearisiert und für den Fall, daß nur ein Wirbel gestört wird, gelöst. Die Diskussion der Lösungen ergibt, daß für die Wirbelstraße mit auf Lücke stehenden Wirbeln für endliche Zeiten ein Stabilitätsgebiet existiert. Es werden spezielle stabile Lösungen angegeben. Für verschwindende Zähigkeit schrumpft das Stabilitätsgebiet auf eine Gerade zusammen, die die alte Stabilitätsbedingung nach Th. v. Kármán darstellt.Die Diskussion der Wirbelstraße mit gegenüberstehenden Wirbeln zeigt das überraschende Ergebnis, daß neben der Instabilität dieser Anordnung für kleine Zeiten bzw. für große Werte des Parameters k=h/l auch ein Stabilitätsbereich existiert, der jedoch nur durch Instabilitätsgebiete hindurch erreicht werden kann.Zum Schluß werden einige Bemerkungen über die Gültigkeit der Theorie und über die Möglichkeiten der experimentellen Verifizierung gemacht.Gekürzte Fassung einer von der Fakultät für Maschinenwesen an der Technischen Universität Berlin-Charlottenburg genehmigten Dissertation (Berichter: Prof. Dr.-Ing. R. Wille, Prof. Dr. phil. E. Mohr).     

Dynamic response of a two degree of freedom spherical system in a fluid

Summary The steady state and transient response of a two degree of freedom spherical system immersed in a viscous fluid medium, initially at rest, is investigated with the inclusion of the fluid reaction derived by Basset in the differential equations of motion. In the steady state study, phase angle and amplitude ratio curves are presented from which the mode shapes of the system, for wide ranges of density ratio, frequency ratio and Stokes number, can be obtained. In the investigation of transient response, the system is subjected to impulsive base displacements and the equations of motion are solved numerically. The response curves obtained illustrate the effect of each dimensionless parameter on the dynamic behavior of the system.

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Übersicht Es wird das stationäre Verhalten und das Einschwingen eines kugelförmigen Systems von zwei Freiheitsgraden untersucht, das sich in einer viskosen Flüssigkeit befindet und anfänglich in Ruhe ist. In den Bewegungsgleichungen werden die von Basset abgeleiteten Reaktionskräfte der Flüssigkeit berücksichtigt. Für das stationäre Verhalten werden Amplituden- und Phasen-Kurven angegeben, aus denen die Schwingungsformen für einen weiten Bereich von Dichteverhältnis, Frequenzverhältnis und Stokes'scher Zahl erhalten werden können. Das Einschwingverhalten wird numerisch errechnet, wobei das System als durch Stöße an der Basis erregt angenommen wird. Die erhaltenen Einschwingkurven zeigen den Einfluß der dimensionslos gemachten Parameter auf das dynamische Verhalten des Systems.

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The research on which this paper is based was supported in part by The National Science Foundation under Grant Nos. GK 479 and GP 2094 to Northwestern University. Acknowledgment is also given to the Northwestern University Computing Center and the National Science Foundation whose funds aided in the establishment of the Center.     

Rheological simulation of synovial fluid by a synthetic macromolecular solution

Summary The flow characteristics of a series of potential synthetic synovial fluids have been examined. These were mainly solutions of polyvinyl pyrrolidone in water. The techniques leading to the production of a fluid with flow properties very similar to normal synovial are described.The apparent shear elasticity and relaxation time data of the synthetic fluid as compared to normal fluid are discussed in terms of the relative importance of intermolecular entanglement and intermolecular complexing in the 2 fluids.

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Zusammenfassung Die Synovialflüssigkeit von normalen menschlichen Gelenken zeigt ein charakteristisches Theologisches Verhalten, das stark verändert ist, wenn das Gelenk von rheumatischer Arthritis befallen ist. Um die Möglichkeit der Substitution mit einer synthetischen Gelenkflüssigkeit im krankhaften Gelenk zu bewerten, mit dem Ziel die Symptome zu erleichtern und den Prozeß der Gelenkzerstörung zu verzögern, wurde besonders Wert darauf gelegt, eine Polymerlösung zu finden mit ähnlichen Theologischen Eigenschaften wie eine normale Synovialflüssigkeit. Es wird angenommen, daß das besondere rheologische Verhalten einer normalen Synovialflüssigkeit (hohe Viskosität und Elastizität, ausgeprägtes nicht-Newtonsches Verhalten und Thixotropie) von Bedeutung für das Schmieren von Gelenken ist, obwohl ihre genaue Bedeutung im Bezug auf Reibung noch nicht gesichert ist und augenblicklich diskutiert wird.Fließexperimente wurden mit einemWeissenberg-Rheogoniometer usgeführt und mit einem UV-Schreiber registriert, um genaue Fließ-Spannungswerte zu erhalten.In dieser Abhandlung werden Ergebnisse über das Fließverhalten verschiedener möglicher synthetischer Flüssigkeiten veröffentlicht einschließlich der, die schließlich gewählt wurde: eine Lösung von umgewandeltem PVP (Polyvinylpyrrolidon). Dies ist ein wasserlöslicher hochmolekularer Stoff, der sich als physiologisch verträglich und nicht-toxisch gezeigt hat. Wäßrige 10%ige Lösungen mit hochmolekularem PVP ha ben ein Viskositätsverhalten, das bei niedrigerer Schubbel astung der normalen Synovialflüssigkeit ähnlich ist, aber nichtthixotropes und nur leicht nicht-Newtonsches und elastisches Verhalten zeigt. Im Labor hergestelltes hochgereinigtes PVP ergab ein Polymerisat, das in Lösung ein ähnliches Verhalten zeigte wie Handelsmaterial. Bestrahlung jedoch mit einer kritischen Dosis von 1,5 mrad in einem UCR 100 Reaktor erzeugte ein Polymerisat, das in 10%iger wäßriger Lösung ein Fließverhalten zeigte, das der normalen Synovialflüssigkeit sehr ähnlich war.Diese Ergebnisse werden im Detail dargelegt: besonders die Eigenschaften unter Höchstbelastung, die bei Beginn einer Schubbelastung in tangentialer als auch in normaler Richtung auftreten. Die Wirkung von anderen Bestrahlungsdosen auf das Theologische Verhalten wird auch beschrieben. Die Scher-Resistenz der synthetischen Flüssigkeit wurde mit einem Rheogoniometer und einem Gelenk-Simulator getestet und die Schmiereigenschaften mit der normalen Synovialflüssigkeit verglichen.Die Bedeutung der Theologischen Ergebnisse wird im Licht der neuen Theorien für Lösungen von Polymeren, die einem Scherfließen unterworfen sind, diskutiert, und mögliche Anwendungen auf andere biologische Flüssigkeitssysteme werden vorgeschlagen.

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Paper presented to the British Society of Rheology Conference on Rheology in Medicine and Pharmacy, London, April 14–15, 1970.     

Über den ebenen Fließzustand zäher und zähplastischer Stoffe mit druckabhängiger Zähigkeit

Zusammenfassung Die bei viskosen und viskoplastischen Stoffen beobachtete Druckabhängigkeit der Zähigkeit kann in die Stoffgesetze dadurch aufgenommen werden, daß der die Zähigkeit der Stoffe beschreibende Stoffparameter als vom örtlich herrschenden mittleren Normaldruck abhängig angenommen wird.An Strömungsfällen, die einen ebenen Fließzustand ermöglichen, werden die Auswirkungen untersucht, die die Einführung eines druckabhängigen Zähigkeitsparameters in die Stoffgesetze derNewtonschen und derBinghamschen Flüssigkeit besitzt. Die erweiterten Stoffgesetze führen auf Differentialgleichungssysteme, aus denen durch Reihenansätze bei geringer Abhängigkeit der Zähigkeit vom Druck lösbare Rekursionssysteme linearer, partieller Differentialgleichungen gewonnen werden können.Mit den so gewonnenen Gleichungssystemen werden zwei Beispiele, nämlich die Strömung der zähen Flüssigkeit mit druckabhängiger Zähigkeit infolge eines Druckgefälles zwischen parallelen Platten und die überlagerte Scher- und Druckströmung einer zähplastischen Flüssigkeit mit druckabhängiger Zähigkeit zwischen parallelen Platten untersucht.Vorgetragen auf der Jahrestagung der Deutschen Rheologen in Berlin-Dahlem vom 7.–10. Juni 1966.     

Zur Stabilität der ebenen schleichenden Dehnströmung einer allgemeinen Flüssigkeit mit freier Oberfläche

Zusammenfassung Die ebene schleichende Dehnströmung mit freier Oberfläche, die etwa beim Ziehen von dünnen Folien auftritt, wird auf Stabilität untersucht. Dabei wird eine frühere Untersuchung, die nur newtonsche Flüssigkeiten behandelt und stets Instabilität liefert, auf Fluide mit endlichem Gedächtnis verallgemeinert. Es zeigt sich, daß die Frage nach einem etwaigen stabilisierenden Einfluß endlicher Relaxationszeiten für verschiedene Flüssigkeiten unterschiedlich beantwortet werden muß. So liefern ein Maxwell- und ein Doi-Edwards-Fluid zwar wie im newtonschen Fall angefachte Lösungen, jedoch nimmt bei der Maxwell-Flüssigkeit die Anfachungsrate mit steigender Relaxationszeit ab, während sie beim Doi-Edwards-Fluid zunimmt.

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The stability of planar creeping extensional flow with a free surface, that may occur in sheet stretching, is investigated. For that purpose a former investigation that only deals with Newtonian fluids and which always leads to instability, is generalized to fluids with finite memory. It is shown, that finite relaxation times have different influences on stability for different materials. Thus a Maxwelland a Doi-Edwards fluid give unstable solutions like a Newtonian fluid, but in the case of a Maxwell fluid the rate of growth of the disturbances decreases with growing relaxation time, while it increases in case of a Doi-Edwards fluid.

     

Modale Behandlung linearer periodisch zeitvarianter Bewegungsgleichungen

Übersicht Lineare, periodisch zeitvariante Bewegungsgleichungen treten im Hubschrauber- und Windturbinenbau auf. Der Getriebebau und die Rotordynamik liefern weitere Beispiele. In diesem Bericht wird ein systematischer Weg zu ihrer Lösung dargestellt. Mit dem Ansatz von Hill wird die homogene Lösung über die Lösung eines Eigenwertproblems gewonnen. Nach Anpassung an die Anfangsbedingungen liefert sie die Fundamentalmatrix des Systems.Ähnlich wie bei zeitinvarianten Systemen, existieren auch bei zeitvarianten Systemen Orthogonalitätsbedingungen, die die Eigenvektoren erfüllen. Die Eigenvektoren selbst sind allerdings zeitabhängig. Benutzt man die Eigenvektoren als Ansatzvektor zur Berechnung der erzwungenen Schwingungen (Transformation mit der zeitvarianten Modalmatrix des Systems), so gelingt es, die Bewegungsgleichungen des Systems in entkoppelte, zeitinvariante zu überführen. Sie lassen sich in bekannter Weise lösen. Dieses Vorgehen wird auf eine moderne Windkraftanlage angewandt. Sie wurde zunächst mit 372 Freiheitsgraden modelliert, die aber auf 18 vor der numerischen Weiterbehandlung kondensiert wurden. Das Stabilitätsverhalten und die Antwortspektren auf stochastische Anregung durch den Wind wurden auf dem oben beschriebenen Weg ermittelt.

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Die rheologische Zustandsgleichung

Zusammenfassung In der Einleitung wird die rheologische Zustandsgleichung — d. h. die stoff-spezifische Beziehung zwischen den nicht-starren Bewegungen eines Körpers und den damit in kausalem Zusammenhang stehenden Kräften — als der zentrale Gegenstand der Rheologie bestimmt und anschließend die Rheologie in zwei Hauptgebiete — phänomenologische und statistische Rheologie — aufgegliedert.Der erste Teil behandelt die phänomenologische Theorie (Makro-Rheologie) und umreißt nach einer kurzen kritischen Behandlung der linearen Theorien die allgemeine nicht-lineare Theorie der rheologischen Körper. Nacheinander werden die Konsequenzen des Grundpostulats der Dimensionsanalysis, der Forderung der Invarianz der kinematischen Größen gegen starre Bewegungen und der Isotropiebedingung analysiert und die Ergebnisse am Beispiel der Theorie des isotropen elastischen Körpers, der Theorie der strukturviskosen Flüssigkeit und insbesondere der quasi-stationären Theorie der allgemeinen Flüssigkeit erläutert. Dabei werden zum Schluß auch einige Kriterien für verschiedene viskosimetrische Quereffekte abgeleitet.Im zweiten Teil wird der Abriß einer allgemeinen statistischen Theorie (Mikro-Rheologie) verdünnter Lösungen, Suspensionen und Emulsiopen gegeben. Die hierin enthaltenen hydrodynamischen und statischen Probleme werden analysiert und es wird ein Störungsverfahren zur Lösung des letzteren angegeben, welches zugleich eine Relaxationstheorie enthält. Diese Theorie wird anschließend am Beispiel einer Suspension elastischer Hanteln im einzelnen durchgeführt, wobei die drei Spezialfälle: starre, hart-elastische und weichelastische Hanteln sowohl bezüglich ihres quasi-stationären als auch ihres Relaxationsverhaltens eingehend diskutiert werden. Es ergeben sich dabei bemerkenswerte Unterschiede, welche über das spezielle Modell hinaus für eine zumindest qualitative Kennzeichnung der Suspensionen von Teilchen mit nur permanenter, nur induzierter und schließlich mit sowohl permanenter als auch induzierter Formanisotropie von Bedeutung sind.Vorgetragen auf der gemeinsamen Tagung der Deutschen Rheologischen Gesellschaft e. V. und der Deutschen Rheologen-Vereinigung e. V. in Berlin am 24. 10. 1956.     

The effects of random longitudinal vibration on pipe flow of a non-Newtonian fluid

Summary A perturbation solution to a pulsating pipe flow of a non-Newtonian fluid is developed. The pipe is vibrated longitudinally in a random stationary manner and the fluid is driven by a constant pressure drop. Three explicit constitutive equations are studied: the generalized Newtonian, the strain-rate and the strain-dependent constitutive equations. It is found that all three of them are capable of describing the flow enhancement phenomenon observed byMena et al. and that this effect is entirely an inertia effect which is exhibited only by shear-thinning fluids.

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Zusammenfassung Es wird eine Näherungslösung für die pulsierende Rohrströmung einer nicht-newtonschen Flüssigkeit entwickelt. Das Rohr vibriert dabei in Längsrichtung nach Art eines stationären stochastischen Prozesses, und die Flüssigkeit wird durch ein konstantes Druckgefälle angetrieben. Drei Formen rheologischer Stoffgleichungen werden untersucht: die einer verallgemeinerten newtonschen, einer deformationsgeschwindigkeits-und einer deformationsabhängigen Flüssigkeit. Es wird gefunden, daß alle drei Modelle imstande sind, das vonMena und Mitarbeiter beobachtete Phänomen der Durchsatzsteigerung zu beschreiben und daß dieser Effekt ein reiner Trägheitseffekt ist, der nur bei Flüssigkeiten mit Scherentzähung vorkommt.

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With 3 figures     

Stability of low Reynolds number flow with viscous heating

Summary The stability of fully developed plane Couette flow and pipe flow with viscous heating is studied at low Reynolds number for a Newtonian liquid with a temperature-dependent viscosity. The solution is obtained by a direct integration method of the eigenfunction equations, with eigenvalues located in the complex plane by means of the argument principle of complex variable theory. An instability will occur in plane Couette flow, but outside the parameter range which will be encountered in practice. There is no comparable instability in pipe flow. It can be concluded that a thermal mechanism does not cause the low Reynolds number instabilities observed in polymer processing operations.

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Zusammenfassung Für eine newtonsche Flüssigkeit mit temperaturabhängiger Viskosität wird die Stabilität der voll entwickelten ebenen Couette-Strömung und Rohrströmung bei niedrigen Reynolds-Zahlen untersucht. Die Lösung wird durch direkte Integration der Eigenwert-Gleichungen gewonnen, wobei das Argument-Prinzip der Funktionentheorie auf die in der komplexen Ebene gelegenen Eigenwerte angewandt wird. In der ebenen Couette-Strömung wird eine Instabilität gefunden, jedoch außerhalb des in der Praxis realisierten Parameter-Bereichs. In der Rohrströmung gibt es dagegen keine vergleichbare Instabilität. Man kommt zu dem Schluß, daß thermische Mechanismen nicht für die in Polymer-Verarbeitungsprozessen beobachteten bei niedrigen Reynolds-Zahlen auftretenden Instabilitäten verantwortlich gemacht werden können.

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With 6 figures and 1 table     

Die Instabilität der ebenen Couette-Strömung mit anwendung auf Maxwell- und Doi-Edwards-Flüssigkeiten

Zusammenfassung Der Cauchy-Green-Tensor einer beliebig vorgegebenen Grundströmung wird für kleine Störungen linearisiert und das Ergebnis in geschlossener Form angegeben. Anschließend werden das Stabilitätsverhalten einer viskoelastischen Flüssigkeit hinsichtlich spezieller Störungen untersucht und verschiedene Grenzfälle (kurze und lange Wellen) diskutiert. Zum Schluß wird ein durch die elastischen Eigenschaften der Flüssigkeit bestimmter Instabilitätsmechanismus für Maxwell- und Doi-Edwards-Fluide aufgezeigt.

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The Cauchy-Green tensor of a given basic flow is linearized for small perturbations and the result is given in explicit form. The stability behaviour of an elastic fluid is then investigated for a special type of perturbation, and several limiting cases (short and long waves) are discussed. Finally, an instability mechanism of Maxwell and Doi-Edwards fluids caused by the elastic properties of these fluids is demonstrated.

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Die Berechnung stationärer ebener Grenzschichtströmungen nicht-Newtonscher Flüssigkeiten,für die das Ostwald-de Waelesche Reibungsgesetz gilt

Übersicht Für nicht-Newtonsche Flüssigkeiten, für die das Ostwald-de Waelesche Potenzreibungsgesetz gilt, werden die ebenen Grenzschichtdifferentialgleichungen aufgestellt und es wird ihre Gültigkeit diskutiert. Als exakte Lösungen der Differentialgleichungen für die Strömungs- und Temperaturgrenzschicht werden die ähnlichen Lösungen für die Keilströmungen behandelt. Mit den Ergebnissen der ähnlichen Lösungen werden Näherungsverfahren zum Berechnen der Strömungs- und Temperaturgrenzschichten aufgestellt.

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Summary A study of the laminar boundary layer equations of fluids governed by the Ostwald-de Waele. power law is presented. Using the similar solutions for flows past wedges, methods for the approximate solution of the laminar velocity and thermal boundary layer equations are presented for the case of laminar flow past arbitrary external surfaces.

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Die vorhegende Arbeit entstand während der Assistenztätigkeit des Verfassers am Institut für Maschinenelemente und Fördertechnik der Technischen Hochschule Braunschweig (Direktor Prof. Dr.-Ing. O. Lutz) auf Anregung von Herrn Prof. Dr.-Ing. K. Gersten. Verfasser dankt den Herren Professoren Schlichting, Lutz und Gersten, die ihm die Durchführung dieser Arbeit ermöglichten.     

Beitrag zur Theorie des Pumpens

Übersicht Es werden Stabilität des Gleichgewichtszustandes und von selbsterregten Schwingungen (Pumpen) eines Systems untersucht, das ein vereinfachtes Modell einer Anlage mit Verdichter, Ventilator oder Kreiselpumpe darstellt. Dieses Modell wird durch ein System von zwei Differentialgleichungen erster Ordnung beschrieben, wobei die nichtoszillierende stationäre Lösung durch singuläre Punkte in der Phasenebene und die oszillierenden Lösungen durch Grenzzyklen dargestellt sind. Es wird der Einfluß desjenigen Parameters untersucht, der dem Verhältnis von akustischer Nachgiebigkeit zu Masse proportional ist.

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Summary The stability of the equilibrium state and the self-excited oscillation (surge) are analyzed of a system representing a simplified model of a system with compressor, blower or centrifugal pump. The model is governed by a system of two differential equations of the first order where the stationary non-oscillating solutions are represented in the phase plane by singular points and the oscillating solutions by limit cycles. The effect of a parameter proportional to the ratio of acoustic inductance to mass is analyzed.

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Herrn Professor Dr. E. Mettler zum 70. Geburtstag gewidmet     

The flow field of Newtonian fluids in cone and plate viscometers with small gap angles

Summary The flow of a Newtonian fluid in cone-plate viscometers is determined by solving the Navier-Stokes equations. It is shown in an order-of-magnitude analysis that the governing equations can be simplified and that the flow field can be split into two parts, if the angle between cone and plate is small. A closedform solution for the inner flow field is established through an iteration procedure. The zeroth-order solution in which the convective terms are neglected is inserted into the governing equations which then can be integrated again. The outer flow field is also described analytically. The solution satisfies the boundary condition of the vanishing radial velocity component at the free surface. The flow is described throughout the whole gap. Velocity components, pressure distributions, torque and normal force due to inertia are calculated. Pressure distributions and the maximum radial velocity are measured. The free surface boundary condition is experimentally examined.

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Zusammenfassung Es wird die Strömung einer newtonschen Flüssigkeit in Kegel-Platte-Rheometern beschrieben. In einer Größenordnungsabschätzung wird gezeigt, daß die beschreibenden Gleichungen vereinfacht werden können und daß das Strömungsfeld in zwei Teile aufgeteilt werden kann, wenn der Winkel zwischen Kegel und Platte klein ist. Eine geschlossene Lösung für den inneren Bereich wird durch eine Iteration erhalten. Die Lösung nullter Ordnung, in der die Konvektion vernachlässigt ist, wird in die beschreibenden Gleichungen eingesetzt, die dann nochmals integriert werden. Das äußere Strömungsfeld wird ebenfalls analytisch bestimmt. Die Lösung erfüllt die Randbedingung der verschwindenden Radialkomponente an der freien Flüssigkeitsoberfläche. Die Strömung wird im gesamten Scherspalt beschrieben. Geschwindigkeitskomponenten, Druckverteilung, Drehmoment und Normalkraft aufgrund von Trägheitskräften werden berechnet. Druckverteilungen und maximale Radialgeschwindigkeiten werden gemessen. Die Randbedingung an der freien Flüssigkeitsoberfläche wird experimentell untersucht.

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With 14 figures and 4 tables     

Plane elastic solution for the second mixed boundary value problem and its application

Summary A solution is obtained for the second mixed boundary value problem with two boundaries loaded with external forces, and the other two boundaries simply supported. A rational mapping function formed as a sum of fractional expressions and complex stress functions is used for the analysis. A closed form solution can be obtained under uniform tensile and shearing loadings. These solutions are applicable to crack problems in linear elastic fracture mechanics. In order to illustrate the general solution, a double connected region is considered, in which interaction between a square hole with a crack extension and another crack is investigated. Stress distributions and stress intensity factors are obtained.

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Ebene elastinche Lösung des zweiten gemischten Randwertproblems und ihre Anwendung

Übersicht Die Lösung des zweiten gemischten Randwertproblems der ebenen Elastizität mit zwei kraftbeanspruchten und zwei gestützten Rändern wird dargestellt. Für die Analyse wird eine rationale Abbildung verwendet, die als Summe partieller Lösungen aus komplexen Spannungsfunktionen aufgebaut ist. Für gleichmäßige Zug- und Schubbeanspruchungen kann die Lösung in geschlossener Form dargestellt werden und ist verwendbar in Rißaufgaben der linear elastischen Bruchmechanik. Als Illustration der allgemeinen Lösung dient ein verzweigter Bereich der gegenseitigen Einwirkung einer quadratischen Öffnung mit Seitenkerbe und eines Risses. Die Spannungsverteilungen und Spannungsintensitäten werden dabei berechnet.

     

Free surface instability of a rotating liquid film of a second-order fluid

Summary The free surface instability of a liquid film of an incompressible second-order fluid attached to a rotating circular cylinder is studied with respect to rotationally symmetric infinitesimal disturbances. The surface mode is examined in detail; the shear wave mode is qualitatively discussed. The results show that for any Reynolds numberR and any surface tensionT, there is always a range of wave numberm for which the flow is unstable. The dependence of the growth rate as well as the critical wave numberm, on the normal stress coefficients of the fluid is studied quantitatively for small as well as for finiteR. It is found that while the first normal stress coefficient has no effect on the stability of the flow, the presence of the second normal stress coefficient always tend to make the flow less stable (i.e., larger growth rate). The critical wave length (which corresponds to the mode of maximum instability and thereby determines the wave length of the breaking apart of the rings formed on the cylinder) is longer for a second-order fluid than for a Newtonian one. These effects (larger growth rate and longer critical wave length) are more pronounced asR increases and/orb (the thickness parameter) increases for a fixed surface tension parameterS. Surface tension is always stabilizing. Decreasing surface tension increases the growth rate, more so for larger magnitude of the second normal stress coefficient.

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Zusammenfassung Die Instabilität der freien Oberfläche eines einem rotierenden Kreiszylinder anhaftenden Flüssigkeitsfilms einer inkompressiblen Flüssigkeit zweiter Ordnung wird gegenüber rotationssymmetrischen infinitesimalen Störungen untersucht. Dabei werden Oberflächenwellen eingehend, Scherwellen dagegen nur qualitativ behandelt. Für jede ReynoldszahlR und für jede OberflächenspannungT gibt es einen Bereich von Wellenzahlenm, für welche die Strömung instabil ist. Für kleine und für endlicheR wird die Abhängigkeit der Zuwachsrate und der kritischen Wellenzahlm _cr vom Normalspannungskoeffizienten der Flüssigkeit quantitativ untersucht. Während der erste Normalspannungskoeffizient keinen Einfluß auf die Stabilität der Strömung zeigt, hat der zweite Normalspannungskoeffizient die Tendenz, die Strömung weniger stabil zu machen (z. B. größere Zuwachsraten zu liefern). Die kritische Wellenlänge (die der maximalen Instabilität entspricht und infolgedessen die Trennung der sich auf dem Zylinder bildenden Ringe verursacht) ist für die Flüssigkeit zweiter Ordnung größer als für die newtonsche Flüssigkeit. Diese Erscheinungen (größere Zuwachsrate und größere kritische Wellenlänge) sind für konstanten OberflächenspannungsparameterS mit zunehmendemR und/oder zunehmendemb (Dickenparameter des Flüssigkeitsfilms) stärker ausgeprägt. Die Oberflächenspannung wirkt immer stabilisierend. Eine Abnahme in der Oberflächenspannung erhöht die Zuwachsrate, dieser Effekt ist für große Werte des zweiten Normalspannungskoeffizienten stärker ausgeprägt.

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With 12 figures     

Die Temperaturkontrolle bei Hochdruckviskosimetern

Zusammenfassung Es wird eine Temperaturmeß-Vorrichtung beschrieben, mit der die Erwärmung der Meßflüssigkeit im Hochdruck-Strukturviskosimeter gemessen werden kann, und zwar getrennt als Erwärmung durch die adiabatisohe Kompression des Druckgases und durch die viskose Reibung in der Kapillare. An Hand von Messungen an Flüssigkeiten und Lösungen wird gezeigt, daß bei hohen Schubspannungen Erwärmungseffekte auftreten und berücksichtigt werden müssen.Nach einem Vortrag auf der gemeinsamen Tagung der Deutschen Rheologen-Vereinigung und der Deutschen Rheologischen Gesellschaft am 10./11. 4. 1961 in Bad Oeynhausen.     

The flow in and around a droplet or bubble submerged in an unbound arbitrary velocity field

Summary A solution is presented for the flow fields interior and exterior to a single spherical droplet submerged in an unbounded fluid, for the general case when the unperturbed velocity isStokesian but otherwise quite arbitrary.A general equation for the terminal settling velocity is derived which contains as special cases the solutions ofHadamard-Rybczynski, Taylor and others. The drag force on a spherical droplet is also formulated. This equation contains as a special case the law ofFaxen.The function describing the interface and its deviation from sphericity is derived. This may be used for determining more accurate flow fields in an iterative procedure.

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Zusammenfassung Das Problem der Strömungsfelder in einer unbegrenzten Flüssigkeit wird sowohl innerhalb wie außerhalb eines einzelnen kugelförmigen Tropfens für den allgemeinen Fall gelöst, wenn die ungestörte Geschwindigkeit durch dieStokessche Gleichung angegeben werden kann, aber sonst willkürlich ist.Es wird eine allgemeine Formel für die Geschwindigkeit, die nach langer Zeit erreicht wird, angegeben. Sie enthält als Spezialfall die Lösungen vonHadamard-Rybczynski, Taylor u. a. Die schleppende Kraft, die auf den Tropfen einwirkt, wird formuliert. Diese Formel enthält das Gesetz vonFaxen als Spezialfall.Die Funktion der Grenzfläche und ihre Abweichung von der Kugelform wird bestimmt. Sie kann zur Bestimmung genauerer Strömungsfelder in einem Iterationsverfahren angewendet werden.

     

Über die Stabilität der Strömung einer elektrisch leitfähigen,reibungsfreien Flüssigkeit im zylindrischen Ringraum unter dem Einfluß eines axialen Magnetfeldes

Übersicht Es wird die Theorie der Stabilität spiraliger Strömungen im schmalen zylindrischen Ringraum auf den hydromagnetischen Fall erweitert. D. h. die reibungsfreie Flüssigkeit wird zusätzlich als elektrisch unendlich leitfähig vorausgesetzt und steht unter der Wirkung eines axialen Magnetfeldes. Die Stabilitätsuntersuchung führt auf ein Eigenwertproblem einer linearen Differentialgleichung zweiter Ordnung. Dieses Problem kann nur für spezielle Störungen analytisch gelöst werden. Für allgemeine Störungen müssen die Eigenwerte numerisch bestimmt werden. Die Rechnung ergibt, daß in Anwesenheit eines Magnetfeldes immer schwach angefachte Störungen auftreten.

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Summary The stability-theory of helical flows in the narrow gap between coaxial cylinders is extented to the hydromagnetic case. The inviscid fluid is supposed to be ideally conducting and is influenced by an axial magnetic field. The investigation of the stability leads to an eigenvalue-problem of a linear differential-equation of second order, which can be solved analytically only for special disturbances. For arbitrary disturbances numerical methods are required. The results show that in the presence of a magnetic field weak instabilities always exist.

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Gekürzte Fassung der von der Fakultät für Maschinenbau und Elektrotechnik der Technischen Universität Braunschweig genehmigten gleichnamigen Dissertation 1968. (Berichter: Professor Dr. phil. Dr.-Ing. E. h. H. Schlichting und Professor Dr. rer. nat. H. Ludwieg (Göttingen)). Die ausführliche Fassung der Dissertation liegt als Bericht [14] vor.

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Aerodynamische Versuchsanstalt Göttingen.     

Instabilität laminarer Grenzschichten an konkaven Wänden im transversalen Magnetfeld

Übersicht Es wird die dreidimensionale Instabilität gestörter zweidimensionaler laminarer Grenzschichtströmungen theoretisch untersucht. Die als inkompressibel und elektrisch leitend angenommene Flüssigkeit soll längs einer isolierten, konkaven Wand unter dem Einfluß eines quer zur Hauptströmung gerichteten Magnetfeldes strömen. Für Hartmann-Zahlen Ha zwischen 5 und 100 werden die kritischen Görtler-Parameter G _k, bei denen die Instabilität beginnt, ausgerechnet. Die Ergebnisse zeigen, daß das Magnetfeld einen starken stabilisierenden Einfluß auf die Entwicklung periodischer Längswirbel (Görtler-Wirbel) hat. Bei Instabilwerden der Grenzschicht können zwei oder mehr Reihen von Wirbeln gleichzeitig auftreten.

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Summary The three-dimensional stability under small disturbances of the two-dimensional laminar boundary layers of an incompressible electrically conducting fluid along an isolated concave wall under a transverse magnetic field is theoretically investigated. Critical Görtler-parameters G _k for neutral stability are calculated for a range of the Hartmann number Ha from 5 to 100. The results show that the magnetic field has a powerful stabilizing influence on the development of periodic longitudinal vortices (Görtler-vortices) and that two or more rows of vortices may be generated in piles, when the boundary layer becomes unstable.

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Herrn Professor Dr. H. Görtler zum 60. Geburtstag gewidmet.

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Diese Arbeit entstand während eines Gastaufenthaltes als Stipendiat der Alexander-von-Humboldt-Stiftung am Institut für Angewandte Mathematik der Universität Freiburg und DVL-Institut für Angewandte Mathematik und Mechanik. Der Verfasser ist Herrn Professor Görtler sowie den Mitarbeitern der beiden Institute für fruchtbare Diskussionen zu herzlichem Dank verpflichtet. Er möchte zugleich Herrn Prof. Numachi für seinen fördernden Rat danken.     

On dynamics and stability of continuous systems subjected to a distributed moving load

Summary The paper deals with an analysis of different models of continuous systems subjected to a load distributed over a given length and moving at a constant velocity.The general discussion concerns a beam resting on a viscoelastic semi-space. The motion of the body is described by polynomial differential operators. With body forces being disregarded, the motion of the beam lying on a viscoelastic foundation is discussed with either taking into account the effect of shear deflection and the inertia of rotation or with neglecting them. Consideration is also given to the cases of relative motion of two continuous systems and the stability of their interaction. The above cases represent the models of a number of mechanical systems applied in e.g. modern transportation facilities, technology of bonding of layer materials, etc.The analysis is substantially simplified because the equations of motion and the boundary conditions are written in a moving coordinate system related with the load and only stationary solutions are considered. With such an approach, the solutions depend only on the transformed space variable, while the velocity of the load appears as one of the parameters of the system. Interesting conclusions are drawn from the obtained solutions and numerical calculations.

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Zur Dynamik und Stabilität von kontinuierlichen Systemen unter verteilten bewegten Lasten

Übersicht Der vorliegende Beitrag behandelt die Analyse von kontinuierlichen Systemen, die verteilten bewegten Lasten ausgesetzt sind. Es wird zunächst ein Balken auf viskoelastischem Halbraum behandelt. Die Bewegung des Körpers wird beschrieben durch Differentialoperatoren in Polynomform, wobei der Einfluß von Schubverformung und Drehträgheit diskutiert wird. Der Fall der Relativbewegung von zwei kontinuierlichen Systemen und ihre Stabilität wird ebenfalls diskutiert. Die untersuchten Fälle stellen Modelle zahlreicher mechanischer Systeme dar, wie zum Beispiel moderne Schnelltransportsysteme, Fügevorrichtungen von Schichtmaterialien, usw.Die Analyse der Probleme wird wesentlich dadurch vereinfacht, daß die Bewegungsgleichungen und Randbedingungen in einem mitbewegten Koordinatensystem formuliert werden und nur stationäre Lösungen betrachtet werden. Auf diese Weise hängen die Lösungen nur von der transformierten Ortsvariablen ab; die Geschwindigkeit der Belastung tritt als ein Parameter des Systems auf.Aufschlußreiche Schlußfolgerungen werden anhand der erhaltenen Lösungen und numerischen Berechnungen dargestellt.

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This paper was presented at the Second Symposium on Inelastic Solids and Structures, Bad Honnef, September 1981